无线物理层信息安全探析.doc

无线物理层信息安全探析摘要：在无线传输的过程中，通信的信号往往容易被第三方窃听，为了防止这类情况出现，利用多波束发射技术可以减少的人工噪声干扰，能够物理层安全通信信息的安全，在信号的发送端将信号和人工噪声同时发送，通过天线加权调整信息的方向图主瓣的接收方位，能够有效的消除噪声干扰。关键词：安全通信；物理层；多波束；人工噪声information security analysis of the wireless physical layerliu feng(civil aviation wenzhou air traffic management center,wenzhou 325024,china)abstract:in the wireless transmission process,the communication signal is often easy to be third-party eavesdropping,in order to prevent such a situation,the use of artificial noise can be reduced by the multi-beam emission technology,can the physical layer of the secure communication of information security,the signal sender signal and artificial noise,while sending,receiving orientation of the antenna pattern main lobe of the weighted information,can effectively eliminate noise interference.keywords:secure communications;physical layer;multi-beam;artificial noise传统的安全通信研究主要是基于数据链路层的通信安全的，主要是关于信息加密和安全通信协议的分析，但是这并不能忍弥补无线信号传输的安全问题。无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号。运用一种基于多波束发射技术，可以减少人工噪声干扰对物理层安全通信的干扰。一、基于多波束抑制物理层噪声的原理分析物理层无线信号安全传输系统模型如图1所示，基站a将物理层发送的信号需要安全的传输给期望用户b，窃听接收机c只做信号接收，以实现对物理层信号的干扰。以系统是时分双工（tdd）的信息通信模式为例，发送信号的上、下行在瞬间完成，如果使用信号的用户移动的比较慢，信号的发射角与入射角相等，信号的上下行链路具有对称性。这样，就可以利用信号上行的参数来计算天线的加权系数，实现信号的安全传输。mimo技术就是运用这种思想来实现空时信号处理，即是利用在空间中分布信号波形的差异和信号传输的时空间域的差异相结合，实现对信号的处理。图2的波形图中，我们能够直观的分析出信号安全传输的途径。在发射端发送信号时，运用信号波束成形技术，分别对信号进行加权，生成3组加权系数信号，对发送信号进行加权并对人工窃听噪声产生影响，能够有效的控制人工噪声对发射信号的影响。通过8组发送天线阵辐射的空间，在3个方向上形成3个不同特性的波束图，记作波束a、b、c。波束a是发射端发送的传输信息，它的主瓣方向与期望接收机的方向相同，波束b 和c 是人工窃听信号，产生人工噪声，两者方向图上与接收机方向上平行，对发射信号不产生影响。这样，通信信息不会受到人工噪声的干扰，能够保证信息的安全。相反的，如果我们在其他方向发射信号就会与生工的干扰信号发生覆盖，就会影响通信的安全。二、系统传输模型在设计上述的信息传输方案后，需要验证方案的正确性，设计了下图3所示的无线信号物理层发射系统。通信信息的发射端和窃听接收机两端采用不同的加权系数加权，并分别采用相同功率的天线发射信息，来实现对信号的保护。设 ， 表示第 个发射信号的第 个加权系数， 表示第 个天线上的人工窃听的发射信号，其中 表示人工窃听端信道传输的信息 ，i=2、3分别表示人工窃听噪声 和 ，这两种信号可取高斯白噪声信号， =1，2，3，m，（m表示天线个数）。发送端激励信号输出为： ，式中，天线噪声信号 ，发送信号 天线加权系数表示为：。在远区场接收端，接收信号可表示成 ， 表示 的基带复信号。这样我们就可以对信号进行分析，即比较输出复信号的功率，与系统中各点距离相等的点信息功率进行比较。通过比较，选择距离最小的点为信号的输出端，以确定目标接收机的位置。对于目标接收机，在平行方向上，噪声信息形成零陷，对物理层发出的信号没有干扰，采用波束成形技术来形成信号，实现对天线加权系数的获取。在设计的本系统模型中，上行链路接收端主要采用自适应技术，来将信号调整到期望方向上，从而在输出信号的发达国内向上没有人工噪声的干扰，这样，就可以近似认为信号的发送端和信号的接收端二者的通信信道的信号功率一致，二者的信号发射角度与反射角度相等，但方向相反。通过上述的设置，就不需要在基站发送信号时对干扰信号进行分析处理，可采用接收时天线产生的加权系数 对发送信息加权和保护，完成信号的发射，并使在该方向上的天线接收增益最大。噪声信息在方向图上与在期望接收的方向没有交叉，形成零缺陷。三、仿真分析本文采用matlab仿真实验，具体的实验是按如下操作进行的：运用8根天线架在信号发射的基站，加强信号的多方位的传输，将接收机置于基站的30方位角上，对发射信息的调制采用bpsk 调制技术，调整人工噪声的功率使之与发射功率相等，通信信道采用rayleigh 衰落信道通信技术，采用平坦慢衰落的方法，天线上发射的信号只能与接收一一对应，在方向上具有唯一性，在计算发射信号的性噪声信噪比时，将标准信号定为主瓣的最大值，噪声信号的方向以最大信号的方向不同。采用优化的lms 算法优化天线加权系数，当通信信息的方向图主瓣位于30方位时，经过计算分析得到的具体的情况如表1所示，人工噪声的信号在该方向上的增益为零，与本文所设计的方法一样。在一般的情况下，接收机信息误码率是随者它与主瓣方位角的不同而发生变化，当接收机的接收信号信噪比为8 db时，接收的误码率最高。通过图4的模拟系统分析得出，在信号发射的主瓣范围内，也就是信号接收的方位上，信号误码率低，能够有效的预防噪声，而在不同的方向上，人工噪声对信号的影响也在变大，接收信号误码率和信号的性能迅速变化，影响信号的接收质量，这时，如果加大人工噪声功率就会使接收信号的误码率变得更高，在方向图旁瓣范围内，信号的接收质量降低，信号误码性能变得更差。为了进一步检验系统的安全性能，在方向图主瓣最大值方向、主瓣最大值附近和旁瓣处等5种情况下，将发射的信号和人工噪声加以对比，信号误码